Wat doet de snaartheorie eigenlijk?

[Buyck Ruben]

ESA op zoek naar gravitatiegolven

De onderzoekers zullen verschijnselen in de ruimte onderzoeken die niet lijken overeen te stemmen met ons huidig begrip van gravitatie. Op deze manier hopen ze het universum beter te kunnen begrijpen.

De gravitatiekracht (of aantrekkingskracht) is één van de vier fundamentele krachten in de natuur. Gravitatie vormt het universum rond ons en zorgt ervoor dat planeten, sterren en sterrenstelsels kunnen ontstaan. Maar hoe meer geleerden gravitatie bestuderen en de gevolgen ervan op hemellichamen, hoe meer mysterieuze zaken ze tegenkomen. Een voorbeeld is de zogenaamde Pioneer-anomalie, genoemd naar de NASA-sondes Pioneer 10 en Pioneer 11, waarop het effect voor het eerst is waargenomen. De anomalie kwam aan het licht toen een aantal ruimtetuigen een onbekende kracht leken te ondergaan waardoor ze werden vertraagd. Hetzelfde verschijnsel is nu ook waargenomen bij de NASA-sonde Galileo en de ESA/NASA-ruimtesonde Ulysses.





Bevat het heelal grote hoeveelheden donkere materie?

Te veel gravitatie



Onderzoekers weten al een hele tijd dat er in het heelal 'te veel' gravitatie lijkt te zijn. Ze zien de gevolgen van gravitatiekrachten, maar niet hun oorzaak. Dit 'overschot' aan gravitatie wordt meestal aangeduid als het 'probleem van de ontbrekende massa', aangezien geleerden veronderstellen dat alleen massa gravitatie kan veroorzaken. Daarom denken ze dat het heelal grote hoeveelheden donkere materie bevat, die nog ontdekt moet worden. Maar wat als deze veronderstelling fout is?

Volgens sommige theorieën zou gravitatie op extreem grote afstanden een beetje harder 'trekken' dan vroeger werd gedacht. Op die manier zou het idee van donkere materie zelfs overbodig worden. Anderzijds zouden de anomalieën het gevolg kunnen zijn van een vijfde kracht in de natuur. Die zou bijzonder zwak zijn en zich alleen laten gevoelen in de verste regionen van de ruimte. De ruimte is een ideaal testgebied om de bestaande theorieën te bestuderen. In de gewichtloosheid van de ruimte kunnen onderzoekers de meest delicate krachten waarnemen en ze uiterst nauwkeurig meten.



BRON: ESA

Een heldere uitleg die de kwatumgravitatie...

[romans]

Of het vanuit het perspectief van de fysicus zinvol is op zoek te gaan naar unificatie van de krachten is een andere vraag. Ik persoonlijk zou blij zijn als deze unificatie correct blijkt te zijn, maar ben niet overtuigd dat dat zo móet zijn.

Geef je hier aan dat het wat jou betreft mogelijk is dat de bestaande conflicten in de natuurkunde nooit opgelost worden?

Alleszins is het vanuit het perspectief van de fysicus zinvol op zoek te gaan naar kwantumgravitatie. Waarom? Er zijn bepaalde delen van de natuur die we momenteel niet kunnen beschrijven. Niet omdat we de computerkracht niet hebben, maar omdat we geen idee hebben wat de vergelijkingen zijn die deze regimes beschrijven. Dat en het feit dat het natuurkundig plaatje inconsistent is, is iets wat we niet zomaar aanvaarden: we willen een beter begrip. Er zijn mensen die het hier niet mee eens zijn, omdat we voorlopig geen experimenten kunnen doen op kwantumgravitatie. Op aanvraag wil ik daar verder op ingaan.

Aanvraag ingediend.

[Buyck Ruben]

De snaartheorie...

Theorie van alles of niets





Snaartheorie is een religie, zegt Nobelprijswinnaar natuurkunde Martinus Veltman. Theoretisch fysicus Robbert Dijkgraaf vindt snaartheorie echter onvermijdelijk volgend uit de historische ontwikkeling van de theoretische natuurkunde. Ik voel dat het wiskundig bouwwerk van snaartheorie te degelijk in elkaar zit om uiteindelijk in elkaar te donderen. We kunnen er vragen over ruimte, tijd, zwarte gaten en oerknal in stellen die we in geen enkele andere theorie kunnen stellen.

Public relations. Dat noemt de theoretisch fysicus Peter Woit in String Theory: An evaluation het grootste succes van de snaartheorie. Een hard oordeel over een fundamentele natuurkundige theorie, waar inmiddels wereldwijd al meer dan twintig jaar aan wordt gewerkt. Toch staat hij in zijn kritiek verre van alleen. De Nederlandse Nobelprijswinnaar Gerard 't Hooft schrijft in zijn boek De bouwstenen van de schepping over snaartheorie: Wat we nu hebben is een soort toverboek, en je moet een magiër zijn om er orakelachtige uitspraken mee te kunnen doen. Zo kan de natuur niet echt in elkaar zitten. Zijn collega-Nobelprijswinnaar Martinus Veltman vertelt dat hij het snaartheoreten kwalijk neemt dat ze “decennia doorrommelen met een theorie die geen contact maakt met de werkelijke wereld.

Tegenover de criticasters staan uiteraard de snaartheoreten zelf. Volgens Edward Witten, winnaar van de Fields-medal (een soort Nobelprijs voor wiskunde), is het feit dat de zwaartekracht logisch volgt uit de snaartheorie één van de grootste theoretische vondsten ooit gedaan. En Cumrun Vafa van Harvard University vindt snaartheorie het beste inzicht in het heelal dat we ooit hebben gehad.

Snaartheorie kwam halverwege jaren tachtig serieus van de grond als dé nieuwe natuurkundige theorie. De fundamentele aanname was dat puntdeeltjes zoals quarks en elektronen opgevat moesten worden als minuscule, eendimensionale trillende snaartjes. Een snaar is gemiddeld ongeveer zo lang als de Plancklengte, de kleinste ruimte-eenheid. De manier waarop een snaar trilt bepaalt de massa en de lading van een reëel deeltje. Ook de bijzondere deeltjes die fundamentele krachten overbrengen gravitonen voor de zwaartekracht, gluonen voor de sterke kernkracht, fotonen voor de elektromagnetisch kracht en vectorbosonen voor de zwakke kernkracht hangen samen met bijzondere trillingspatronen van de snaren.



Alle natuurkrachten en alle materie zouden moeten volgen uit eigenschappen van trillende snaren. Door deze snaaraanname blijken kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie (de theorie voor de zwaartekracht). Een voor iedere fysicus aantrekkelijk idee. Dé grote uitdaging in de theoretische fysica is namelijk om de theorie van het hele kleine, kwantummechanica, te verenigen met de theorie van het hele grote, zwaartekracht. Snaartheorie is volgens velen momenteel de enige realistische theorie die zwaartekracht kwantummechanisch kan behandelen.

Nadat er in eerste instantie vijf verschillende snaartheorieën leken te bestaan, ontdekte men in 1995 dat die vijf theorieën onderdeel waren van één grotere theorie. Deze zogeheten M-theorie bevat behalve eendimensionale snaren ook nog tweedimensionale frisbees (tweebranen) en driedimensionale klonten (driebranen). M-theorie is een elfdimensionale snaartheorie die tien ruimtedimensies bevat en één tijddimensie. Maar de theorie staat nog geheel in de steigers. Niemand die nog weet hoe de tien ruimtedimensies oprollen tot onze bekende drie. Niemand kan zelfs de exacte vergelijkingen van de theorie opschrijven. Er bestaan alleen maar benaderende vergelijkingen, die bovendien zo moeilijk zijn dat ze pas gedeeltelijk zijn opgelost. Nederlandse onderzoekers zoals Robbert Dijkgraaf, Jan de Boer en de tweelingbroers Erik en Herman Verlinde spelen een vooraanstaande rol binnen de snaartheorie.

Uitdijen zonder verbetering

Gezeten in de tuin van zijn Bilthovense woning legt emeritus hoogleraar Veltman zijn bezwaren tegen snaarheorie uit. “Hoe kun je merken of iets goed is of niet? Iets dat goed is, wordt voortdurend beter. Dat is bij snaartheorie niet het geval. Ik heb in veertig jaar al zo vaak theorieën voorbij zien komen die in de loop van de tijd alleen maar slechter werden. Steeds moeten wiskundige capriolen de theorie redden. Dat is ook het geval met snaartheorie.”

Het belangrijkste bezwaar dat tegenstanders tegen snaartheorie aanvoeren is dat ze nog geen enkele experimentele voorspelling heeft gedaan. De energieën nodig voor een serieuze test zijn bovendien zo groot dat we met de huidige techniek een deeltjesversneller nodig hebben ter grootte van de melkweg.

zie het hele artikel... http://www.kennislink.nl/web/show?id=105560

BRON: kennislink

[Rudeoffline]

Ik ben niet zo thuis in de snaartheorie, maar ik denk dat je de theorie niet alleen moet veroordelen op basis van de fysica. Er is ook een hoop nieuwe wiskunde mee gevonden. Het is in mijn ogen wellicht een schemergebied tussen wiskunde en natuurkunde. Wel denk ik dat er teveel aandacht aan wordt besteed, en dat andere potentiele unificaties meer aandacht hadden mogen krijgen, zoals Loop Quantum Gravity.

[Buyck Ruben]

Loop Quantum Gravity (LQG) is een van de pogingen om de A.R. (algemene relativiteit) te verenigen met de Quantummechanica. De bron voor deze theorie ontstond in de jaren '80, toen men dacht dat de Stringtheorie ten dode was opgeschreven. Onder leiding van Lee Smolin begon een internationale zoektocht naar de boodschap en de waarheid van de LQG.

Maar ook het succes van de LQG moet voorlopig uitblijven. De experimenten die de LQG zouden kunnen bevestigen, zijn al even onuitvoerbaar als die voor de Stringtheorie. Bovendien wordt er voor bepaalde experimenten gebruik gemaakt van VSL-theorie(Variable speed of light) zie link http://en.wikipedia.org/wiki/Variable_speed_of_light.

Loop Quantum Gravity...

The problem of finding the quantum theory of the gravitational field, and thus understanding what is quantum spacetime, is still open. One of the most active of the current approaches is loop quantum gravity. Loop quantum gravity is a mathematically well-defined, non-perturbative and background independent quantization of general relativity, with its conventional matter couplings. Research in loop quantum gravity today forms a vast area, ranging from mathematical foundations to physical applications. Among the most significant results obtained are: (i) The computation of the physical spectra of geometrical quantities such as area and volume, which yields quantitative predictions on Planck-scale physics. (ii) A derivation of the Bekenstein-Hawking black hole entropy formula. (iii) An intriguing physical picture of the microstructure of quantum physical space, characterized by a polymer-like Planck scale discreteness. This discreteness emerges naturally from the quantum theory and provides a mathematically well-defined realization of Wheeler's intuition of a spacetime ``foam''. Long standing open problems within the approach (lack of a scalar product, over-completeness of the loop basis, implementation of reality conditions) have been fully solved. The weak part of the approach is the treatment of the dynamics: at present there exist several proposals, which are intensely debated. Here, I provide a general overview of ideas, techniques, results and open problems of this candidate theory of quantum gravity, and a guide to the relevant literature.

lees verder...

http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-1998-1/

u zal alles van naaltje tot draadje uitéén kunnen pluizen.

[eendavid]

Geef je hier aan dat het wat jou betreft mogelijk is dat de bestaande conflicten in de natuurkunde nooit opgelost worden?

Unificatie is niet strikt nodig. Een niet-geunificeerd stelsel van wetten is prima mogelijk, en levert geen conflicten. Ik geloof dat kwantisatie van AR op een door iedereen aanvaarde manier uiteindelijk wel zal lukken.

Ik zal voor je andere vragen binnenkort antwoorden.

Loop Quantum Gravity (LQG) is een van de pogingen om de A.R. (algemene relativiteit) te verenigen met de Quantummechanica. De bron voor deze theorie ontstond in de jaren '80, toen men dacht dat de Stringtheorie ten dode was opgeschreven. Onder leiding van Lee Smolin begon een internationale zoektocht naar de boodschap en de waarheid van de LQG.

Maar ook het succes van de LQG moet voorlopig uitblijven. De experimenten die de LQG zouden kunnen bevestigen, zijn al even onuitvoerbaar als die voor de Stringtheorie. Bovendien wordt er voor bepaalde experimenten gebruik gemaakt van VSL-theorie(Variable speed of light) zie link http://en.wikipedia.org/wiki/Variable_speed_of_light.

Niet volledig eens. LQG is beginnen groeien nadat snaartheorie is beginnen groeien, en is nog steeds een veel kleiner broertje. Het ontstaan hiervan is te danken aan de bijdragen van Sen en Ashtekar. Sen voerde variabelen in om AR-problemen te bestuderen (bewijs van het 'positivity of energy theorem') die niets met kwantisatie te maken hebben. Ashtekar besefte dat de connectie die Sen hierbij introduceerde kon fungeren als variabele in een dynamisch schema, en dat het Poissonhaakje polynomiaal was (wat dus aanleiding geeft tot goed-gedefinieerde operatoren). Deze, intrinsieke, ontwikkelingen waren de bron voor de aandacht, die in die stringy periode moeilijk verkregen werd.

Er is overigens een verschil tussen de experimenten van snaartheorie en LQG. LQG is in principe falsifieerbaar. Er is bijvoorbeeld de voorspelling van kwanta van volume en oppervlakte. Uiteraard veel te klein om rechtstreeks te meten. Cfr. snaartheorie waar men voorlopig geen in principe falsifieerbare voorspelling doet.

[Buyck Ruben]

Unificatie is niet strikt nodig. Een niet-geunificeerd stelsel van wetten is prima mogelijk, en levert geen conflicten. Ik geloof dat kwantisatie van AR op een door iedereen aanvaarde manier uiteindelijk wel zal lukken.

Ik zal voor je andere vragen binnenkort antwoorden.

Niet volledig eens. LQG is beginnen groeien nadat snaartheorie is beginnen groeien, en is nog steeds een veel kleiner broertje. Het ontstaan hiervan is te danken aan de bijdragen van Sen en Ashtekar. Sen voerde variabelen in om AR-problemen te bestuderen (bewijs van het 'positivity of energy theorem') die niets met kwantisatie te maken hebben. Ashtekar besefte dat de connectie die Sen hierbij introduceerde kon fungeren als variabele in een dynamisch schema, en dat het Poissonhaakje polynomiaal was (wat dus aanleiding geeft tot goed-gedefinieerde operatoren). Deze, intrinsieke, ontwikkelingen waren de bron voor de aandacht, die in die stringy periode moeilijk verkregen werd.

Er is overigens een verschil tussen de experimenten van snaartheorie en LQG. LQG is in principe falsifieerbaar. Er is bijvoorbeeld de voorspelling van kwanta van volume en oppervlakte. Uiteraard veel te klein om rechtstreeks te meten. Cfr. snaartheorie waar men voorlopig geen in principe falsifieerbare voorspelling doet.

Dat is een feit er is nog veel werk aan de winkel. Veel theoriën en stellingen maar de harde bewijzen veel minder.

[eendavid]

Aanvraag ingediend.

Om dus terug te komen op het feit dat de deeltjesversnellers geen energie halen (en deze energieën ook volledig buiten bereik lijken te liggen) waarbij we verwachten dat gravitatie-effecten belangrijk worden. Daaruit besluit men dat alles wat quantum gravity (QG) is, voorlopig zinloos is. Eigenlijk is dit een raar argument.

De voorbije eeuw zijn we geëvolueerd naar de toestand waarbij theoretische voorspellingen gebeuren voordat experimenten gebeuren. Dat maakt het voor de theoretici moeilijk, maar heeft een groot voordeel: de experimentatoren kunnen efficiënter op zoek gaan naar falsificatie. Dit is precies wat er gebeurt in QG. Men zoekt naar voorspellingen van de theorie, en dat kan maar door de theorie nauwgezet te controleren. Een moeilijke klus, dat is het belangrijkste doel van alle onderzoek dat verricht wordt. Zo zijn er voorspellingen van enkele theorieën die al op TeV-schaal een rol beginnen spelen. Helaas is er (voorlopig) nog niet zo'n voorspelling geweest waarover de verschillende LQG-stromingen het eens waren. Hetzelfde geldt voor snaartheorie (men voorspelt bijvoorbeeld supersymmetrie, maar kan niet eenduidig vastleggen vanaf welke energie deze gedetecteerd kan worden). Kortom, de moderne manier om QG te begrijpen, steunend op geverifieerde wetten, is doen wat men aan het doen is (en dat is precies hetzelfde als wat men bijvoorbeeld met GUTs doet).

Daarnaast is er natuurlijk de evidente vaststelling dat de natuur ons dergelijke hoge energieschalen aanbiedt. Denk aan hoog-energetische deeltjes in kosmische straling (met als extreem voorbeeld het 'Oh my god'-deeltje), aan de deeltjes soep enkele seconden na de Big Bang, aan zwarte gaten. De impliciete veronderstelling dat deftige experimenten op hoge energie enkel in deeltjesversnellers kunnen plaatsvinden is hopeloos achterhaald.

Zoals Ruben zei: veel werk aan de winkel. Hoewel ik het dus niet eens ben met de ondertoon.

[ktesibios]

Er schoot mij net een voorbeeldje te binnen van toepassingen die voortkomen uit stringtheoretisch onderzoek. Hieronder staat een thesisonderwerp die de laatstejaars konden kiezen:

Probleemstelling:

De propagatie van elektrische golven in het hart wordt beschreven d.m.v. reactie-diffusievergelijkingen. Deze zijn zeer complex zodat een benadering dient gezocht te worden die

de evolutie van het golffront beschrijft. De gelijkenis met de propagatie van domainwalls en topologische deffecten in kosmologie laat vermoeden dat een expansie in de dikte van het golffront een vereenvoudigde beschrijving toelaat. De eerste orde levert onmiddelijk de eikonale approximatie die welbekend is maar gewoonlijk niet op deze manier wordt afgeleid. De standaard

manier laat ook niet toe van correcties op de eikonale approximatie te berekenen. De dikteexpansie laat dit wel toe zoals we weten uit de theorie van kosmische strings.

Doelstelling:

Van de student wordt verwacht een post-eikonale benadering voor golffrontpropagatie te maken door expansie in de dikte van het golffront. Deze techniek werd oorspronkelijk

ontwikkeld in de context van kosmische strings en domainwalls. In het hart wordt de rol van de gravitationele metriek nu gespeeld door de diffusiematrix die de diffusie van elektrische potentialen doorheen het hart beschrijft. De wiskundige technieken die nodig zijn komen dus rechtstreeks uit de algemene relativiteitstheorie. Naast het analytische werk is er ook een numerieke component die dan de post-eikonale approximatie gaat testen t.o.v de microscopische beschrijving die de reactie-diffusie vergelijkingen bieden. Het is de bedoeling te zien in hoeverre het golffront inderdaad voldoet aan de post-eikonale vergelijking.